航空金属材料.概要

分 子 轨 道 能 级 演 变 成 能 带 的 示 意 图
根据能带的分布和电子填充情况，能带 有不同的性质和名称： 充满电子的能带叫满带 部分能级充满的能带叫导带 能级最高的满带和导带总称价带 完全没有电子的能带叫空带 各能带间不能填充电子的区域叫带隙， 又称禁带
导体的能带结构特征是 具有导带．
左图为Al—Si合金 的共晶组织
金属铸锭组织
成分-结构-性质-工艺过程之间关系示意图
使用性能
成 分 (工程) 与 性质 结 (化学) (物理学) 构 合成与制备过程
金属材料的成分不同，结构组织不同， 性能不同。
改变金属材料的性能：
内在因素——成分、结构、组织
外在因素——各种加工处理工艺(外在因素
通过改变内在因素改变材料的性能)
二、金属材料的性能：
零件的加工过程： 冶炼 下料(锻件、铸造件) 处理 机加工 最终热处理 装配 使用 对金属材料性能要求： 预先热 磨削
工艺性能，使用性能。
工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在
于能不能保证生产、制作。 包括： 铸造性能——流动性，收缩性，偏析等； 锻造性能——固态流动性，冷变形硬化能力等； 以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。 使用性能：在使用中应具备的性能。在于保证能 不能应用。 包括： 物理性能，化学性能，机械性能(强度、 硬度、塑性、韧性)
第一节 航空金属材料
一、金属材料及影响其性能的因素：
金属材料分为：纯金属和合金。 金属特性：导电性、导热性、延展性、光泽
性、正的电阻温度系数。例如：钢、铁、铜、 铝等。 影响其性能的因素： 化学成分：组成物质的基本元素及其含量。 化学成分主要由冶炼和铸造控制，特别是靠 冶炼来保证。 化学成分不同，金属材料的性能不同。
3s 2p
Na的能带结构: 1s、2s、
2p 能带都是满带，而 3s 能带
中只填充了其中 N／2个轨道， 2s
是部分填充电子的能带，即
导带．
1s
单价金属Na的能带结构
3s与3p
金属Mg的能带结构
Mg的3s能带虽已填满，但与3p空带重
叠，总体看来也是导带．
绝缘体
只有满带和空带，
且Eg超过5 eV, 在一般 电场条件下难以将满带 电子激发入空带，因此 不能形成导带. Eg > 5 eV
高分子材料(聚合物)：
由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成
的分子量很大的化合物。
橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。
复合材料：由两种或两种以上化学性质或组织结
构不同的材料组合而成。


复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效 应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优 良性能。 2004年度国家技术发明奖一等奖： 高性能炭/炭航空制动材料的制备技术(中南大学黄伯云院 士等) 耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术(西北工业大 学张立同院士等)
结构：原子在空间有规律排列的形式(原子
集合体中各原子的具体组合状态)。 例如：石墨和金刚石。 结构不同，性能不同。
组织：用肉眼和借助于不同放大倍数的显微
镜观察到的金属材料内部各种相的晶粒大小、 形态和分布。 不同成分具有不同的组织； 同种成分不同的加工、处理工艺可获得不同 的组织。 组织不同，性能也不同。
三、金属的结构理论
1、金属键的“自由电子”模型
金属原子的最外层价电子脱离原子核的束缚， 形成“自由电子”或称“离域电子”。这些电子 与正离子吸引形成金属晶体。金属的这种结合力 成为金属键。 金属的一般特性 都是和金属中存在这种“自 由电子”模型。
2、固体能带理论
固体能带理论是关于晶体的量子理论．对于 金属中的能带，常用 “紧束缚近似（TBA）”模 型， 它相当于分子中LCAO-MO在晶体中的推广：
半导体
Eg < 3 eV
只有满带和空带，但Eg小于3 eV．易受光或热激
发使满带中部分电子跃迁到空带，形成导带而导电．
பைடு நூலகம்
3、球的密堆积
金属单质晶体结构比较简单, 这与金属键 密切相关: 由于金属键没有方向性和饱和性，大 多数金属元素按照等径圆球密堆积的几何方式 构成金属单质晶体，主要有立方面心最密堆积、 六方最密堆积和立方体心密堆积三种类型.
3. 第三层叠加到第二层B上时，只可能是C或A层;
4. 无论叠加多少层，最多只有A、B、C三种, 最少有A、B两种(因为 相邻层不会同名); 5. 若以后各层均按此方式循环, 每三层重复一次，或每两层重复一 次，就只会产生两种结构：
（1）ABCABC……, 即 每三层重复一次, 这种结构 称为A1 (或A1)型, 从中可以 取出立方面心晶胞;
第八章
航空材料
航空材料的分类：
按化学组成(或基本组成)分类
(1)金属材料：由金属元素或以金属元素为主
体组成的具有金属特性的材料。 (2)无机非金属材料：无机非金属材料是由硅 酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原 料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、 硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺 制备而成的材料。它与广义的陶瓷材料有等同 的含义。
（2）ABABAB……, 即每 两层重复一次, 称为A3 (或A3)
型, 从中可取出六方晶胞。
这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构.
A3堆积：ABAB……
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3.2 小结: 几种典型的金属单质晶体结构
四、钛及其合金

钛及其合金的发展历程 钛及其合金的分类 β钛合金在航空航天中应用
3.1 等径圆球最密堆积
等径圆球以最密集的方式排成一列（密 置列），进而并置成一层（密置层），再叠 成两层（密置双层），都只有一种方式：
请 点 击 按 钮 打 开 晶 体 模 型
等径圆球的密堆积
密置层如何叠起来形成密堆积? 先考察一个密置层的结构特点：
从一个密置层上，可以看出这样几点：
1. 层上有3个特殊位置: 球的顶部A、上三角凹坑B和下三角凹坑 C. 以该层为参照层，称为A层; 2. 叠加到A层上的第二层各个球只能置于凹坑B或C. 由于上下三角 只是相对而言, 故称第二层为B层;

钛及其合金的发展历程
1.1 钛的发现